Магнитно-резонансная томография в медицинской практике

Представлены данные об истории возникновения метода магнитно-резонансной томографии (МРТ), принципах формирования МРТ-изображений, устройстве МР-сканера, процессе МРТ-сканирования и используемых импульсных последовательностях, преимуществах и недостатках МРТ по сравнению с рентгеновской компьютерной томографией, о биологическом действии магнитных полей и противопоказаниях к проведению МРТ, использовании контрастных веществ, а также методике МРТ всего тела с диффузионно-взвешенным исследованием.

***

Магнитно-резонансная томография (МРТ) — метод получения томографических (послойных) изображений внутренних органов человека с использованием явления ядерного магнитного резонанса (ЯМР). ЯМР — физическое явление, основанное на свойствах некоторых атомных ядер при помещении их в постоянное магнитное поле поглощать энергию в радиочастотном (РЧ) диапазоне и излучать ее после прекращения воздействия РЧ-импульса. При этом напряженность постоянного магнитного поля и частота РЧ магнитного поля должны строго соответствовать друг другу, в случае чего возникает резонанс. Помимо метода МРТ явление ЯМР используется в аналитической химии (ЯМР- спектроскопия). Ранее существовавшая аббревиатура ЯМР-томография в настоящее время не используется, поскольку слово «ядерный» ассоциируется с ядерной энергией, радиоактивностью или облучением, что не имеет к МРТ никакого отношения [1, 2].

Явление ЯМР в жидкостях и твердых телах открыли в 1946 г. независимо друг от друга американские исследователи Ф. Блох и Э. Пурселл, получившие за это в 1952 г. Нобелевскую премию по физике. В 1972 г. американец П. Лаутербур получил первое в мире двухмерное МР-изображение двух стеклянных капилляров, заполненных жидкостью. На получение этого изображения ушло 4 ч 45 мин. Первое МРТ-изображение человека (пальцы кисти) было представлено П. Мэнсфилдом в Лондоне в 1976 г. На сканирование уходило уже от 15 до 23 мин.

За изобретение метода МРТ П. Лаутербуру и П. Мэнсфилду присуждена Нобелевская премия по медицине в 2003 г.

Вклад в развитие метода внес американец Р.Дамадьян, который в 1974 г. получил патент «Аппаратура и метод обнаружения раковой ткани». Р. Дамадьян измерил время релаксации удаленных образцов нормальных и раковых тканей у мышей и пришел к заключению, что опухоли имеют более длительные по времени релаксации. С начала 1980-х годов МР-томографы стали использоваться для исследований всего тела человека.

В настоящее время МРТ является одним из основных томографических методов лучевой диагностики в медицине, во многих случаях превосходящим рентгеновскую компьютерную томографию (КТ) по диагностической эффективности.

Принципы формирования МРТ-изображений

Метод МРТ основан на измерении отклика атомов водорода на возбуждение их определенной комбинацией электромагнитных волн (РЧ-импульсами) в постоянном магнитном поле [3]. Почему в клинической МРТ основную роль в формировании изображений играет водород? Для этого имеются две основные причины: I) большая распространенность водорода в организме человека — он входит в состав молекул воды (Н20), из которой на 2/3 состоит тело человека, а также в состав белков, жиров и углеводов (химические группы СН2 и др.); 2) большой магнитный момент, то есть способность выстраиваться вдоль внешнего магнитного поля. Ядро атома водорода состоит из заряженной частицы (протона) и нейтральной частицы (нейтрона). Положительно заряженный протон обусловливает наличие у водорода магнитных свойств.

Формирование МРТ-изображения включает следующие основные этапы.

1.    Сканируемый объект помещается во внешнее постоянное магнитное поле, в котором протоны водорода приобретают продольную, то есть совпадающую по направлению с внешним магнитным полем, намагниченность.
2.    В объект подаются кратковременные РЧ- импульсы, обусловливающие отклонение намагниченности в заданную плоскость. В типичном случае используют 90° РЧ-импульс, отклоняющий намагниченность в поперечную плоскость.
3.    После прекращения воздействия РЧ-импульса намагниченность начинает возвращаться в исходное положение, что называют релаксацией. При этом сканируемым слоем испускается РЧ-сигнал, улавливаемый МР-сканером и преобразуемый в изображение.

Кроме постоянного и РЧ магнитного полей в МРТ используют еще одно магнитное поле — градиентное. 0но служит для выделения слоя — выбора плоскости сканирования и толщины среза. В отличие от КТ, при которой томограмму можно получить только в плоскости механически вращающихся вокруг пациента рентгеновской трубки и детектора излучения (в большинстве случаев это трансверсальная плоскость), при МРТ плоскость сканирования определяется направлением приложения градиентного магнитного поля и может быть любой — трансверсальной, сагиттальной, коронарной или наклоненной к ним (рис. I).

Основные компоненты МР-сканера

Основными компонентами МР-сканера являются магнит, радиочастотная и градиентная системы, стол пациента и компьютер для управления процессом сканирования и реконструкции изображений (рис. 2) [2].

Магнит создает внешнее постоянное магнитное поле, основной характеристикой которого является напряженность или сила, выражаемая в Теслах (Тл). По силе магнитного поля МР-томо- графы разделяют на низкопольные (менее 0,5 Тл), среднепольные (0,5—1,0 Тл), высоко- польные (1,0—2,0 Тл) и сверхвысокопольные (более 2,0 Тл). В клинической практике наиболее распространены томографы с напряженностью 1,5 Тл, которые в настоящее время считаются оптимальными по соотношению качества изображений, функциональных возможностей сканера и цены. Все более распространенными становятся сканеры с напряженностью 3 Тл. В последние годы началась клиническая эксплуатация аппаратов с напряженностью 7 Тл (рис. 3). Консорциум Европейских компаний и университетов проводит работы по созданию МР-томографа с напряженностью 11,7 Тл, которые должны быть завершены в 2016 г.

Преимуществом свервысокопольных сканеров является более высокая детализация изображений, что особенно важно для нейровизуализации. К недостаткам относится увеличение количества энергии, передаваемой сканируемому объекту, что требует соблюдения определенных предосторожностей. Кроме этого, сложнее создать полную однородность магнитного поля, что может снизить качество изображений при некоторых исследованиях (например, с подавлением сигнала от жира).

В зависимости от конструкции магниты разделяют на закрытые (см. рис. 2) и открытые. В первом случае томограф имеет туннель, в который помещается сканируемый объект в положении лежа. Преимуществом открытых магнитов является отсутствие туннеля, что делает условия сканирования более комфортными для пациента и позволяет проводить интервенционные вмешательства. Одна из разновидностей МР-сканеров с магнитом открытого типа позволяет проводить обследование пациента в положении сидя или стоя, то есть в условиях физиологической нагрузки на позвоночник. Недостаток открытых магнитов — меньшая напряженность магнитного поля (в настоящее время не более 1,2 Тл). С технической точки зрения магниты бывают постоянного, резистивного и сверхпроводящего типов. В высокопольных МР-сканерах используются магниты сверхпроводящего типа, предусматривающие охлаждение жидким гелием.

РЧ и градиентное магнитные поля создаются с помощью специальных приспособлений, называемых катушками. РЧ-катушки отвечают за передачу и прием из сканируемого объекта РЧ-сигналов (рис. 4). Для сканирования определенной анатомической зоны используют специально предназначенные для нее РЧ-катушки, которые могут быть съемными (например, для сканирования головного мозга, брюшной полости, коленного сустава) или встроенными в стол пациента (для сканирования позвоночника) или в обшивку магнита (для сканирования всего тела). Градиентные катушки встроены в обшивку магнита.

Контраст МР-изображений и основные импульсные последовательности

В отличие от КТ, при которой плотность тканей может быть измерена в единицах Хаунсфилда, при МРТ говорят об интенсивности сигнала, которую не принято оценивать количественно, так как она существенно варьирует в зависимости от большого количества факторов [2, 4]. Интенсивность сигнала (контраст тканей) в МРТ определяется в основном четырьмя параметрами:
1)    протонной плотностью (количество протонов в исследуемой ткани);
2)    временем продольной релаксации тканей (обозначается как время Т1);
3)    временем поперечной релаксации тканей (время Т2);
4) движением или диффузией исследуемых структур.

В каждом МР-изображении присутствует контраст, обусловленный как протонной плотностью, так и Т1- и Т2-релаксацией. В зависимости от их соотношения говорят о Т1-взвешенных изображениях (Т1-ВИ), Т2-взвешенных (Т2-ВИ) или об изображениях протонной плотности (PD), которые также называют средневзвешенными.

Специально разработанные импульсные последовательности (ИП) определяют вклад того или иного параметра в интенсивность сигнала изображения для получения оптимального контраста между нормальными и патологическими тканями [5]. ИП — это набор радиочастотных и градиентных импульсов заданной формы, амплитуды и интервала между ними, многократно повторяемых во время сканирования и определяющих контраст МР-изображений. Другими словами, ИП — это компьютерная программа, управляющая МР-сканером в процессе сканирования.

Основными техническими параметрами ИП являются время повторения (TR), время эха (ТЕ), время инверсии (TI), угол отклонения.

Используемые в клинической практике ИП можно схематически разделить на следующие группы:
•    спин-эхо;
•    турбоспин-эхо — быстрое спин-эхо;
•    градиентное эхо — еще более быстрые ИП;
•    инверсия-восстановление:
FLAIR— подавление сигнала от свободной жидкости (темная жидкость); STIR — подавление сигнала от жира;
•    МР-ангиография (МРА):
без внутривенного (в/в) введения контрастного вещества (КВ): время-пролетная МРА (ToF-МРА); фазово-контрастная МРА; с в/в введением КВ (контрастно-усиленная МРА);
•    эхопланарная визуализация — сверхбыстрые ИП:
диффузионно-взвешенная МРТ (диффузи- онно-взвешенное исследование — ДВИ) и ее разновидность — диффузионная тензорная МРТ (трактография); перфузионная МРТ — с болюсным в/в контрастным усилением; функциональная МРТ (фМРТ);
•    МР-спектроскопия (МРС):
одновоксельная; мультивоксельная.

Для того чтобы отличить Т2-ВИ от Т1-ВИ можно использовать следующие способы. Во-первых, на Т2-ВИ вода имеет повышенный сигнал (белая), а на Т1-ВИ — сниженный (темная) (рис. 5). Обычно оценивают интенсивность сигнала спинномозгового ликвора. Во-вторых, можно обращать внимание на значения параметров TR и ТЕ. Так, при использовании спинэховых и турбо-спинэховых ИП эти параметры обычно составляют для Т2-ВИ — TR более 1600 мс, TE более 60 мс; для Т1-ВИ — TR 300— 600 мс, TE 10—20 мс; для изображений протонной плотности — TR более 2000 мс, TE 20 мс.

Считается, что Т2-ВИ по своей контрастности наиболее информативны для выявления патологии — большинство опухолей имеют повышенное содержание воды и поэтому на Т2- ВИ характеризуются повышенным сигналом.

Т1-ВИ позволяют установить серозную (сниженный сигнал) или геморрагическую (в подостром периоде — повышенный сигнал) природу жидкостных образований, а также используются для оценки контрастного усиления после в/в введения содержащих гадолиний КВ. Изображения протонной плотности хорошо визуализируют суставной хрящ и наиболее широко используются при МРТ суставов [6].

МРТ-сканирование обычно включает получение Т2-ВИ и Т1-ВИ в одной или нескольких плоскостях, при необходимости — Т1-ВИ после в/в введения КВ и ряд дополнительных ИП. Получение каждой серии изображений занимает от 1 до 7 мин, в среднем — 2—3 мин. В итоге общая длительность МРТ-сканирования составляет в среднем 20—40 мин, а в некоторых случаях может достигать 1 ч и более. Необходимо отметить, что контрастная разрешающая способность, пространственная разрешающая способность (толщина среза) МР-изображений и длительность сканирования имеют обратную связь друг с другом — так называемый Бермудский треугольник. Это означает, что для получения более контрастных и трехмерных (тонкие срезы) изображений требуется больше времени. Поэтому до начала МРТ-исследования необходимо четко понять стоящие перед ним задачи, чтобы определить оптимальный с точки зрения качества изображений и длительности сканирования протокол исследования.

Преимущества и недостатки МРТ по сравнению с КТ

Как и КТ, МРТ является неинвазивным томографическим методом лучевой диагностики. К преимуществам МРТ относятся:
1)    более высокая контрастная разрешающая способность. Например, при МРТ очаги в головном мозге нередко визуализируются лучше, чем при КТ; фибромиома матки при КТ не отличается по плотности от тканей матки, при МРТ— имеет сниженный сигнал на Т2-ВИ и четко визуализируется; суставной хрящ хорошо визуализируется на МРТ-изображениях в отличие от КТ;
2)    отсутствие ионизирующего излучения, что позволяет проводить МРТ всего тела и повторять исследование в динамике, что особенно важно в онкологии для стадирования злокачественных опухолей и оценки эффективности лечения;
3)    отсутствие артефактов от костной ткани — преимущество при оценке базальных отделов головного мозга;
4)    естественный контраст от движущейся крови — исследование сосудов без в/в контрастирования;
5)    исследование функции органов: измерение скорости кровотока, уровня диффузии в тканях с помощью ДВИ, метаболизма тканей с помощью МРС, визуализация активации коры головного мозга с помощью фМРТ.

Одним из преимуществ МРТ ранее считали возможность сканирования в любой плоскости, а не только в аксиальной, как при КТ. Однако с появлением многосрезовых КТ-сканеров стало возможным получение тонких аксиальных КТ- срезов с последующей реконструкцией изображений в любой плоскости.

К основным недостаткам МРТ по отношению к КТ относятся:
1)    более длительное сканирование, что может стать причиной двигательных артефактов и снижает пропускную способность аппарата;
2)    недостаточная визуализация легочной ткани — воздух не создает МР-сигнала, но визуализируется легочный интерстиций;
3)    невозможность надежного выявления кальцификатов, некоторых видов патологии костных структур— кальций не дает МР-сигнала, визуализируется костный мозг, а не костная ткань;
4)    подверженность МР-изображений артефактам, в том числе за счет неоднородности магнитного поля;
5)    невозможность обследования пациентов с клаустрофобией, искусственными водителями сердечного ритма, наличие других противопоказаний;
6)    высокая стоимость оборудования и его эксплуатации.

Учитывая сказанное, МРТ имеет преимущества перед КТ при визуализации головного и спинного мозга, органов таза, суставов [6, 7].

При патологии легких, для диагностики ряда заболеваний костных структур, а также у пациентов, которые не могут длительно и осознанно соблюдать неподвижность во время сканирования, предпочтительнее выполнять КТ. При МРТ брюшной полости может потребоваться многократная задержка дыхания, в случае неспособности пациента ее выполнять информативность исследования значительно снижается. При выборе метода обследования необходимо учитывать и другие факторы, такие как длительность сканирования и доступность соответствующего оборудования.

Биологическое действие магнитных полей и противопоказания к МРТ

Энергия, передаваемая объекту электромагнитным излучением, пропорциональна его частоте. Используемые в МРТ радиоволны имеют частоту порядка 107 Гц, в то время как рентгеновское излучение— 101W Гц. Из этого следует, что рентгеновские лучи передают тканям гораздо больше энергии, чем радиоволны, частота которых даже ниже, чем у видимого света. В этой связи метод МРТ считается безопасным для человека, однако имеет ряд ограничений. Магнитное поле сканера с напряженностью магнитного поля 1,5 Тл в 30 000 раз сильнее магнитного поля Земли. Поэтому МРТ противопоказана при наличии у пациента кардиостимулятора (его работа может нарушаться с потенциальной угрозой для жизни) и других электронных имплантированных устройств, ферромагнитных интракраниальных аневризмальных клипс, инородных металлических тел в орбитах (угроза смещения и повреждения тканей).

Не рекомендуется проводить МРТ в первые 3 мес беременности по причине неизученности возможного влияния на плод.

Несъемные металлические зубные коронки, протезы суставов, немагнитные (титановые, танталовые, из нержавеющей стали, биодеградабельные) стенты и аневризмальные клипсы не опасны для проведения МРТ спустя 2—4 нед после их установки. Вместе с тем металлические имплантаты, находящиеся в зоне сканирования, вызывают артефакты, создающие сложности для интерпретации результатов исследования. МРТ невозможно провести при наличии у пациента боязни замкнутого пространства (клаустрофобия), которая встречается не более чем у 4% населения. У маленьких детей (обычно в возрасте до 5 лет) исследование проводится в состоянии медикаментозного сна.

К другим возможным негативным эффектам используемых в МРТ магнитных полей относятся [8]:
1)    кратковременное головокружение, металлический привкус во рту во время или сразу после сканирования — обычно не возникают при напряженности магнитного поля менее 3 Тл;
2)    локальное повышение температуры тканей — не возникает при соблюдении рекомендации по параметру «норма специфической абсорбции» (SAR);
3)    стимуляция периферических нервов с непроизвольными сокращениями мышечных волокон — практически не встречается на сканерах с напряженностью поля 1,5 Тл;
4)    сильный шум в процессе сканирования, обусловленный нормальной работой аппарата.

Перед началом исследования пациент заполняет анкету с вопросами о возможных противопоказаниях. Снимаются любые металлические украшения, предметы и элементы одежды. Другой специальной подготовки к МРТ обычно не требуется.

Использование контрастных веществ при МРТ

При МРТ используют КВ на основе редкоземельного элемента гадолиния (омнискан, магневист, оптимарк, гадовист и др.), которые вводят струйно в локтевую вену в дозе 0,2 мл/кг массы тела пациента (гадовист— 0,1 мл/кг). В ряде случаев, например при перфузионной МРТ и МРТ молочных желез, рекомендуется болюсное введение, то есть с помощью автоматического инжектора.

После в/в введения препарат проникает через поврежденный гематоэнцефалический барьер (при злокачественных опухолях, ишемии, инфекционно-воспалительных и демиелинизирующих заболеваниях головного мозга), а также накапливается в нормальных и патологических экстракраниальных тканях.

Для оценки контрастного усиления проводят сканирование с использованием Т1-ВИ, на которых патологические образования приобретают повышенный сигнал. В онкологии использование МР-КВ играет важную роль как при определении распространенности опухолевого процесса, так и при контроле эффективности лечения [6]. У беременных женщин использование содержащих гадолиний КВ допускается лишь в случае крайней необходимости, поскольку КВ проникает через плаценту и может накапливаться в амниотической жидкости. У кормящих грудью женщин ограничения для в/в контрастирования при МРТ не установлены [9].

Еще одной группой МР-КВ являются наночастицы железа оксида. Показана высокая эффективность их использования для диагностики метастазов в лимфатических узлах. В отличие от гадолиниевых препаратов частицы железа оксида вызывают снижение сигнала от нормальных тканей лимфоузла на Т2-ВИ. В настоящее время данные препараты не представлены на рынке.

Как отмечалось выше, МРТ является нерадиационным безопасным методом обследования пациентов, что с учетом высокой контрастной разрешающей способности делает его весьма подходящим для сканирования всего тела, особенно в онкологии.

Программа сканирования всего тела может отличаться в зависимости от технических возможностей МР-сканера, опыта и предпочтений врача-диагноста, но обычно включает Т2-ВИ и Т1-ВИ в коронарной плоскости, ДВИ в трансверсальной плоскости. Преимущество ДВИ особенно очевидно у онкологических пациентов — первичные и метастатические злокачественные опухоли имеют повышенный сигнал на фоне подавления сигнала от нормальных тканей, что делает ДВИ-изображения подобными на изображения позитронной эмиссионной томографии (рис. 6). При ДВИ не требуется в/в введение КВ, то есть методика является абсолютно неинвазивной.

В РНПЦ онкологии и меди-цинской радиологии им. Н. Н. Александрова первая МРТ-ДВИ всего тела была проведена 20 марта 2012 г. у пациента с лимфомой Ходжкина на МР-томографе «Optima 450w», 1,5Тл («Дженерал Электрик», США). Общее время сканирования всего тела, включая шею, грудную, брюшную полость и таз, в зависимости от роста пациента составляет 34—40 мин, из них ДВИ — 18—23мин. Подробно протокол сканирования всего тела описан в нашей предыдущей публикации [10].

За истекший период выполнено 256 МРТ-ДВИ всего тела у 165 пациентов с лимфомами и 36 исследований у 23 пациентов с другими злокачественными опухолями (рак предстательной и молочной желез, шейки матки, яичников, меланома) и заболеваниями (лихорадка неясного генеза, миелофиброз). При лимфомах МРТ-ДВИ всего тела выполняли до начала лечения с целью определения исходной распространенности опухолевого процесса (стадирование) и после окончания химиотерапии с целью оценки эффективности лечения (рестадирование) (см. рис. 6). Преобладание пациентов с лимфомами связано с выполнением НИР «Разработать и внедрить метод определения распространенности опухолевого процесса, прогнозирования и контроля эффективности лечения злокачественных лимфом на основе использования диффузионно-взвешенной магнитно-резонансной томографии» (2013—2017 гг.). Показана более высокая диагностическая эффективность МРТ-ДВИ всего тела при стадировании лимфом по сравнению с КТ [10].

Заключение

МРТ является высокоинформативным и безопасным томографическим методом лучевой диагностики. По сравнению с КТ метод имеет ряд существенных преимуществ, обусловливающих более широкое его использование в клинической практике. Грамотное применение МРТ требует учета показаний и противопоказаний, а также адаптации протокола сканирования в соответствии с конкретной клинической задачей. Достаточно новой высокоинформативной методикой МРТ является ДВИ. Высокая контрастная разрешающая способность и отсутствие ионизирующего излучения делают метод МРТ- ДВИ особенно подходящим для исследования всего тела, особенно у пациентов с онкологическими заболеваниями.

Контактная информация:
Хоружик Сергей Анатольевич — к. м. н., доцент.

РНПЦ онкологии и медицинской радиологии
им. Н. Н. Александрова.
223040, а/г Лесной, Минский район;
сл. тел.: (+37517) 26S-56-81.
Конфликт интересов отсутствует.

Ключевые слова: , ,
Автор(ы): Хоружик С. А.
Медучреждение: РНПЦ онкологии и медицинской радиологии им. Н. Н. Александрова Минздрава Республика Беларусь